管桁结构管端焊接装配面模型及切割精度控制.pdf

第32卷第10期
焊接学报
Vo. 32 No. 10
20 1 1+ F 1 0 F TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION October 201 1
管桁结构管端焊接装配面模型及切割精度控制
王旗华,殷国富,徐雷,何赛松
(四川大学制造科学与工程学院,成都610065)
摘要:在分析管桁结构管端5轴联动数控切割机床加工原理的基础上,应用空间解
析几何数学方法推导出了两管相贯的相贯线数学模型,在此基础上,结合切割角度、实
际切割时的纵向补偿及扭转角公式,建立了管桁结构管端焊接装配面数学模型.通过
分析传统分点方法及其存在的问题,提出了一种根据拟合精度要求的多次比较分点法
来控制切割精度,用 AUTOCAD VBA编程仿真,并与 AUTOCAD三维模型数据对比,验证
了文中提出的数学模型及其切割精度控制方法的可靠性
关键词:管桁;多管相贯;相贯线;比较分点法;焊接坡口
中图分类号:TC48文献标识码:A文章编号:0253-360X(2011)10-0081-04
王旗华
0序言
接,在管件切割时仅需对腹管管端进行切割.随着
技术的进步,相贯管件切割现在大都采用专用的多
管-管相贯、管一板相贯、管一环相贯等是海洋平轴联动数控机床,这样不仅能提高切割效率,同时也
台、石油化工、建筑环保、输气输水等领域中的典型能保证切割精度.5轴联动数控火焰切割机床切
应用结构,其中以管-管相贯为主要结构形式的管割管端的原理如图1所示
桁结构,因其良好的受力性能、优美的外观,在建筑
领域一一尤其是候机大厅体育馆、展览馆等大型场
B轴
馆的建造中得到了普遍的应用.管桁结构大部分由
E轴
轴
两管或多管相贯焊接而成,因而除了其本身的结构
设计合理与否外,其相贯节点处的焊接质量无疑也
是影响其整体受力性能的重要因素-“.为保证焊
接质量,要求相贯腹管必须能准确切割出相贯线和
焊接坡口,即形成良好的焊接装配面.而相贯腹管
管端端口(焊接装配面)是一个不规则的空间曲
面,这无疑增加了数控切割的难度.因此,建立一
个准确的焊接装配面模型以及获得可靠的切割精度
D轴
控制方法就显得尤其关键
图1数控火焰切割原理
1管桁结构管端燡接装配面数学模型
Fig. 1 Principle of CNC flame cutting
1.1管桁结构管端数控切割原理
管件切割时要求相贯轨迹及焊接坡口一次成
管桁结构按照管件布置方式可分为平面管桁结形.图1中被切管绕C轴360°回转,割炬沿D轴和
构和空间管桁结构,不管是平面管桁结构还是空间E轴做直线运动,这3轴联动控制割炬形成相贯轨
管桁结构,一般均由3部分组成,分别为上弦管、下迹.同时,割炬又绕A轴和B轴回转,这两轴控制割
弦管和腹管.由于管桁结构通常采用骑座式搭接焊炬形成相应的切割角度.通过5轴的联合运动,切
割出所需的空间曲面?.
收稿日期:2010-08-12
基金项目:四川省科技支撑计划资助项目(201070051);成都市科
1.2两管相贯的相贯线数学模型
技支撑计划资助项目(O9RKYB980ZF-033)
图2为管一管相贯的相贯线数学模型,如图2a
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焊接学报
第32卷
所示,下弦管为主管,腹管为支管?主管半径为R,式中:γ为法剖面与支管轴剖面夹角,即
支管半径为r,轴线间夹角为a.以两轴线交点0为
cos a.cos gp.sin 8 +sin gp.cos e
(6)
原点,建立0z和x'y'x'坐标系,xx坐标系的x轴与
sin Q.COS 4
支管轴线重合,y轴在两轴线所在的平面上;x'y'z'坐1.4实际切割中的纵向补偿
标系的'轴与主管轴线重合,z'轴在两轴线所在的
管件实际切割时,只能沿管外壁进行.故在实
平面上
际切割中只需计算支管内壁与主管外壁的相贯线,
同时给割炬一个纵向补偿△“,即
△=t.tanψ
式中:t为支管壁厚.
1.5多管相贯时的处理方式
在实际的管桁结构中,经常会遇到多管相贯的
R
情况:即所求图标管件与多根管件均相交产生的相
贯线.如图3所示,由两管相贯线数学模型可以分
别求得目标管与切管Ⅰ切管Ⅲ和切管IⅢ的相贯线
方程.最终相贯线是3条相贯线分别截取一部分组
(a)建立坐标系
(b)zOy面投影
成.对于同一φ值,由3个相贯线方程可得到3个x
图2管一管相贯
轴坐标,而最终相贯线的z值为3者中的最大值,即
Fig 2 Intersection of two-pipe
z=max(zl, a
式中:k为切管个数
取相贯线上任意一点P(x,y,z),将其沿支管素
线和主管素线向管端投影得到P1(x1,y:,x1)和P2
切管Ⅱ
x2,y2,z2),p为O1P1与x轴之间的夹角.在x0z坐
目标管
oc
切管Ⅲ
标系内P与P1的x轴和y轴坐标相等,即
切管
人B
x=x1 T Cos
Y-Y1=Tsin4
点P向zOy平面上投影得P".由图2b得
图3多管相贯
r. cos co
(2)
Fig 3 Intersection of multi-pipe
sin c
tan o
联立式(1)和式(2)即得到两管相贯的相贯线数学
求解3条相贯线时,是在各自独立的坐标系下
模型
完成的,而x值应在同一坐标系中比较才有意义
1.3切割角度数学模型
如图4所示,取一平面2,使其过目标管与主管
由于管桁结构对焊接节点处有很高的强度要
轴线的交点并垂直于目标管轴线,目标管与主管轴
求,同时也为了避免过大的角焊缝,当管壁厚大于等
于6mm时需切制焊接坡口.坡口角度值一般府线确定的平面与Ω的交线作为x1轴,y轴由右手
两面角ω大小来确定,其计算公式为
定则确定.切管Ⅱ及切管mI分别向2作垂直投影,
可得到x2轴和x3轴.它们与x1轴的夹角即为扭转
a=arccos(cos6-cos gcos -sin sin)(3)
角.则有第根管的扭转角计算公式为
式中:6为点在主管上的相位角,即
cosb; -cos &1.Cos a;
arccos
ニ arcsin
sinon sin a
R
根据美国石油协会标准(APII2A),当0≤的取值范围为[-T,T],其中绕x轴逆时针旋转
90°时,坡口角A=0/2;当o>90°时,坡口角A
时为正,绕x1轴顺时针旋转时为负
要得到最终相贯线,应把目标管与切管Ⅱ和目
由经验公式可得最终的实际切割角为“
标管与切管II所求得的相贯线z值方程中的φ值
tan(90°-o+
加上扭转角ξ修正.对应此z值的实际切割角也必
ψ=ar
Cosy
须把公式中的p值加上扭转角ξ修正
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